JP2007281086A - Insulated gate bipolar transistor, and fabrication method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法に関する。 The present invention relates to insulated gate bipolar transistors and methods for making insulated gate bipolar transistors.
非特許文献1には、(0001)サファイア基板上に自立窒化ガリウム膜を成長することが記載されている。この窒化ガリウムは、RF分子線ビームエピタキシによって成長されたナノコラム上に成長される。c軸方向の格子定数を評価することによって残留応力を見積もっており、低応力であることが明らかにされている。 Non-Patent Document 1 describes growing a free-standing gallium nitride film on a (0001) sapphire substrate. This gallium nitride is grown on nanocolumns grown by RF molecular beam epitaxy. The residual stress is estimated by evaluating the lattice constant in the c-axis direction, and it is clarified that the stress is low.
非特許文献2には、絶縁ゲートバイポーラトランジスタが記載されている。絶縁ゲートバイポーラトランジスタはパワーデバイスとして用いられている。絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、金属−酸化物−半導体構造n型トランジスタのドレインをドレインをp型半導体で置き換えた構造を有する。
非特許文献1によれば、窒化ガリウム膜が(0001)サファイア基板上のナノコラム領域を覆うように成長されている。一方、窒化ガリウム系半導体電子デバイスは、導電性基板を必要としている。窒化ガリウム系半導体電子デバイスのために窒化ガリウム基板が利用されて始めている。窒化ガリウム基板のサイズは、Si基板やGaAs基板のサイズに比べて小さい。より大きなサイズの基板を用いて、窒化ガリウム系半導体電子デバイスを作製することが求められている。また、窒化ガリウム基板の結晶品質は、向上されているが、Si基板やGaAs基板の結晶品質に比べて更に向上されることが求められている。 According to Non-Patent Document 1, a gallium nitride film is grown so as to cover a nanocolumn region on a (0001) sapphire substrate. On the other hand, gallium nitride based semiconductor electronic devices require a conductive substrate. Gallium nitride substrates have begun to be used for gallium nitride based semiconductor electronic devices. The size of the gallium nitride substrate is smaller than the size of the Si substrate or GaAs substrate. There is a demand to produce a gallium nitride based semiconductor electronic device using a substrate having a larger size. Further, although the crystal quality of the gallium nitride substrate is improved, it is required to be further improved as compared with the crystal quality of the Si substrate or the GaAs substrate.
窒化ガリウム系半導体電子デバイスのうち絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、非特許文献2に記載されているように、p型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタを必要とするけれども、発明者らの知る限り、未だにp型窒化ガリウム基板は開発されていない。 Among the gallium nitride semiconductor electronic devices, the insulated gate bipolar transistor requires a collector made of a p-type gallium nitride semiconductor as described in Non-Patent Document 2, but as far as the inventors know, it is still p. A type gallium nitride substrate has not been developed.
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、p型窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを提供することを目的とし、また窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an insulated gate bipolar transistor using a p-type gallium nitride semiconductor, and to produce an insulated gate bipolar transistor using a gallium nitride semiconductor. It aims to provide a way to do.
本発明の一側面によれば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、(a)第1のp型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、(b)前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように設けられおり、第2のp型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタ層と、(c)前記コレクタ層上に設けられており第1のn型窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層と、(d)前記ドリフト層上に設けられており第2のn型窒化ガリウム系半導体からなるエミッタ領域と、(e)前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間に設けられており第3のp型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、(f)前記ウエル領域上に設けられたゲート絶縁膜と、(g)前記ゲート絶縁膜上に設けられており前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間の伝導を制御するためのゲート電極と、(h)窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体からなる支持基体を含み第1の面および第2の面を有する基板と、(i)前記基板の前記第2の面上に設けられたコレクタ電極とを備え、前記ナノコラム領域は、前記基板の前記第1の面上に設けられている。 According to one aspect of the present invention, an insulated gate bipolar transistor includes: (a) a nanocolumn region having a plurality of nanocolumns made of a first p-type gallium nitride semiconductor; and (b) a plurality of nanocolumns in the nanocolumn region. A collector layer made of a second p-type gallium nitride semiconductor and provided with one end coupled to each other; and (c) a drift made of the first n-type gallium nitride semiconductor provided on the collector layer. A layer, (d) an emitter region provided on the drift layer and made of a second n-type gallium nitride semiconductor, and (e) a third region provided between the drift layer and the emitter region. A well region made of a p-type gallium nitride based semiconductor, (f) a gate insulating film provided on the well region, and (g) provided on the gate insulating film. Including a gate electrode for controlling conduction between the drift layer and the emitter region, and (h) a support base made of a p-type semiconductor different from the gallium nitride based semiconductor. And (i) a collector electrode provided on the second surface of the substrate, and the nanocolumn region is provided on the first surface of the substrate.
この絶縁ゲートバイポーラトランジスタによれば、p型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスが提供される。ナノコラム領域がp型窒化ガリウム系半導体からなると共に、コレクタ層がp型窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体とn型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。また、低転位なナノコラム領域が用いられるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、良好な結晶品質を有する窒化ガリウム系半導体を用いて構成される。さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのドリフト層がナノコラム領域上に形成された窒化ガリウム系半導体からなるので、リーク電流が小さくなると共に絶縁耐圧が向上される。加えて、導電性支持体を用いるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタの放熱特性が良好である。 According to the insulated gate bipolar transistor, a vertical semiconductor electronic device using a p-type gallium nitride semiconductor is provided. Since the nanocolumn region is made of a p-type gallium nitride semiconductor and the collector layer is made of a p-type gallium nitride semiconductor, a junction between the p-type semiconductor and the n-type gallium nitride semiconductor different from the gallium nitride semiconductor is not formed. In addition, since a low-dislocation nanocolumn region is used, the insulated gate bipolar transistor is formed using a gallium nitride-based semiconductor having good crystal quality. Furthermore, since the drift layer of the insulated gate bipolar transistor is made of a gallium nitride based semiconductor formed on the nanocolumn region, the leakage current is reduced and the withstand voltage is improved. In addition, since the conductive support is used, the heat dissipation characteristics of the insulated gate bipolar transistor are good.
本発明の別の側面によれば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、(a)第1のp型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、(b)前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように設けられおり、第2のp型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタ層と、(c)前記コレクタ層上に設けられており第1のn型窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層と、(d)前記ドリフト層上に設けられており第2のn型窒化ガリウム系半導体からなるエミッタ領域と、(e)前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間に設けられており第3のp型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、(f)前記ウエル領域上に設けられたゲート絶縁膜と、(g)前記ゲート絶縁膜上に設けられており前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間の伝導を制御するためのゲート電極と、(h)前記ナノコラム領域に接続されたコレクタ電極とを備え、前記ナノコラム領域は、前記コレクタ電極と前記コレクタ層との間に設けられている。 According to another aspect of the present invention, an insulated gate bipolar transistor includes: (a) a nanocolumn region having a plurality of nanocolumns made of a first p-type gallium nitride based semiconductor; and (b) the plurality of nanocolumns in the nanocolumn region. And a collector layer made of a second p-type gallium nitride semiconductor and (c) a collector layer made on the collector layer and made of a first n-type gallium nitride semiconductor. A drift layer; (d) an emitter region provided on the drift layer and made of a second n-type gallium nitride semiconductor; and (e) a first layer provided between the drift layer and the emitter region. 3 a well region made of a p-type gallium nitride semiconductor, (f) a gate insulating film provided on the well region, and (g) provided on the gate insulating film. A gate electrode for controlling conduction between the drift layer and the emitter region, and (h) a collector electrode connected to the nanocolumn region, wherein the nanocolumn region includes the collector electrode and the collector layer. Between.
この絶縁ゲートバイポーラトランジスタによれば、p型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスが提供される。低転位なナノコラム領域がp型窒化ガリウム系半導体からなると共に、コレクタ層が第2のp型窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体とn型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。また、ナノコラム領域が用いられるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、良好な結晶品質を有する窒化ガリウム系半導体を用いて構成される。さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのドリフト層がナノコラム領域上に形成された窒化ガリウム系半導体からなるので、リーク電流が小さくなると共に絶縁耐圧が向上される。加えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタが基板を含まないので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタは優れた放熱特性を示す。 According to the insulated gate bipolar transistor, a vertical semiconductor electronic device using a p-type gallium nitride semiconductor is provided. Since the low dislocation nanocolumn region is made of a p-type gallium nitride semiconductor and the collector layer is made of a second p-type gallium nitride semiconductor, a p-type semiconductor different from the gallium nitride semiconductor and an n-type gallium nitride semiconductor can be used. Bonding is not formed. In addition, since the nanocolumn region is used, the insulated gate bipolar transistor is configured using a gallium nitride based semiconductor having good crystal quality. Furthermore, since the drift layer of the insulated gate bipolar transistor is made of a gallium nitride based semiconductor formed on the nanocolumn region, the leakage current is reduced and the withstand voltage is improved. In addition, since the insulated gate bipolar transistor does not include a substrate, the insulated gate bipolar transistor exhibits excellent heat dissipation characteristics.
本発明に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、前記支持基体はp型Siまたはp型GaAsからなることが好ましい。この絶縁ゲートバイポーラトランジスタによれば、ナノコラム領域を形成することが可能なp型半導体領域が提供される。 In the insulated gate bipolar transistor according to the present invention, the support base is preferably made of p-type Si or p-type GaAs. According to this insulated gate bipolar transistor, a p-type semiconductor region capable of forming a nanocolumn region is provided.
本発明に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、前記第1のp型窒化ガリウム系半導体は、AlX1GaY1In1−X1−Y1Nからなり、前記第2のp型窒化ガリウム系半導体は、AlX2GaY2In1−X2−Y2Nからなり、前記第1のn型窒化ガリウム系半導体は、AlX3GaY3In1−X3−Y3Nからなり、前記第2のn型窒化ガリウム系半導体は、AlX4GaY4In1−X4−Y4Nからなり、前記第3のp型窒化ガリウム系半導体は、AlX5GaY5In1−X5−Y5Nからなることが好ましい。 In the insulated gate bipolar transistor according to the present invention, the first p-type gallium nitride based semiconductor is made of Al X1 Ga Y1 In 1-X1-Y1 N, and the second p-type gallium nitride based semiconductor is Al X2 The first n-type gallium nitride based semiconductor is made of Al X3 Ga Y3 In 1-X3-Y3 N, and the second n-type gallium nitride based semiconductor is made of Ga Y2 In 1-X2-Y2 N It is preferable that the third p-type gallium nitride semiconductor is made of Al X4 Ga Y4 In 1-X4-Y4 N, and the third p-type gallium nitride based semiconductor is preferably made of Al X5 Ga Y5 In 1-X5-Y5 N.
この絶縁ゲートバイポーラトランジスタは、窒化ガリウム系半導体からなるナノコラム領域上に成長された様々な窒化ガリウム系半導体を利用することができる。 This insulated gate bipolar transistor can use various gallium nitride based semiconductors grown on a nanocolumn region made of a gallium nitride based semiconductor.
本発明に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタでは、前記第1のp型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムであり、前記第2のp型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムであり、前記第1のn型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムであることが好ましい。この絶縁ゲートバイポーラトランジスタによれば、窒化ガリウムは優れた結晶品質を有する。 In the insulated gate bipolar transistor according to the present invention, the first p-type gallium nitride semiconductor is gallium nitride, the second p-type gallium nitride semiconductor is gallium nitride, and the first n-type gallium nitride is used. The system semiconductor is preferably gallium nitride. According to this insulated gate bipolar transistor, gallium nitride has excellent crystal quality.
本発明の更なる別の側面は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法である。この方法は、(a)窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる導電性支持体を含む基板の第1の面上に、第1のp型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を形成する工程と、(b)前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、(c)前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、第2のp型窒化ガリウム系半導体からなりコレクタ層のための半導体膜を成長する工程と、(d)前記コレクタ層のための半導体膜上に設けられており、第1のn型窒化ガリウム系半導体からなりドリフト層のための半導体膜を成長する工程とを備える。 Yet another aspect of the invention is a method of making an insulated gate bipolar transistor. This method includes: (a) a nanocolumn region having a plurality of nanocolumns made of a first p-type gallium nitride semiconductor on a first surface of a substrate including a conductive support made of a material different from a gallium nitride semiconductor. (B) growing a gallium nitride based semiconductor film so that one ends of the plurality of nanocolumns in the nanocolumn region are coupled to each other; and (c) after growing the gallium nitride based semiconductor film, A step of growing a semiconductor film for the collector layer made of a second p-type gallium nitride semiconductor; and (d) a first n-type gallium nitride system provided on the semiconductor film for the collector layer. And a step of growing a semiconductor film made of a semiconductor for the drift layer.
この方法によれば、p型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスを作製できる。ナノコラム領域を用いるので、低転位なp型窒化ガリウム系半導体を形成できる。また、ナノコラム領域上に良質な結晶性のp型窒化ガリウム系半導体膜が提供されるので、窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体とn型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。さらに、コレクタ層およびドリフト層がナノコラム領域上に形成された低転位な窒化ガリウム系半導体からなるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのリーク電流が小さくなると共に絶縁体耐圧が向上される。加えて、基板が、窒化ガリウム系半導体と異なる半導体材料からなる支持体を含むので、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを窒化ガリウム基板を用いることなく作製される。 According to this method, a vertical semiconductor electronic device using a p-type gallium nitride semiconductor can be manufactured. Since the nanocolumn region is used, a low-dislocation p-type gallium nitride semiconductor can be formed. In addition, since a high-quality crystalline p-type gallium nitride semiconductor film is provided on the nanocolumn region, a junction between the p-type semiconductor and the n-type gallium nitride semiconductor different from the gallium nitride semiconductor is not formed. Furthermore, since the collector layer and the drift layer are made of a low-dislocation gallium nitride semiconductor formed on the nanocolumn region, the leakage current of the insulated gate bipolar transistor is reduced and the dielectric breakdown voltage is improved. In addition, since the substrate includes a support made of a semiconductor material different from that of the gallium nitride semiconductor, an insulated gate bipolar transistor using the gallium nitride semiconductor can be manufactured without using the gallium nitride substrate.
本発明に係る方法は、(e)前記ドリフト層のための半導体膜を成長した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのウエル領域およびエミッタ領域を形成する工程と、(f)前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成する工程と、(g)前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記基板の前記第1の面と反対側の第2の面上に、コレクタ電極を形成する工程とを備え、前記導電性支持体の半導体材料のバンドギャップは窒化ガリウムのバンドギャップよりも小さいことが好ましい。 The method according to the present invention includes: (e) forming a well region and an emitter region for the insulated gate bipolar transistor after growing a semiconductor film for the drift layer; and (f) the well region and the emitter. Forming a gate insulating film, a gate electrode and an emitter electrode for the insulated gate bipolar transistor after forming the region; and (g) after forming the well region and the emitter region, the first region of the substrate. Forming a collector electrode on the second surface opposite to the surface, and the band gap of the semiconductor material of the conductive support is preferably smaller than the band gap of gallium nitride.
この方法によれば、窒化ガリウム系基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製することができる。 According to this method, an insulated gate bipolar transistor using a gallium nitride based semiconductor can be manufactured without using a gallium nitride based substrate.
本発明に係る方法は、(h)前記ドリフト層のための半導体膜を成長した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのウエル領域およびエミッタ領域を形成する工程と、(i)前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成する工程と、(j)前記ゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成した後に、前記導電性支持体を除去する工程を更に備えることができる。この方法によれば、支持体を除去するので、支持体に起因する抵抗がなくなると共に、窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体とp型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。 The method according to the present invention includes (h) forming a well region and an emitter region for the insulated gate bipolar transistor after growing a semiconductor film for the drift layer, and (i) forming the well region and the emitter. Forming a gate insulating film, a gate electrode and an emitter electrode for the insulated gate bipolar transistor after forming the region; and (j) forming the gate insulating film, the gate electrode and the emitter electrode, A step of removing the support can be further provided. According to this method, since the support is removed, resistance due to the support disappears, and a junction between the p-type semiconductor and the p-type gallium nitride semiconductor different from the gallium nitride semiconductor is not formed.
この方法によれば、導電性支持体を用いないので、支持体に起因する抵抗がない。 According to this method, since a conductive support is not used, there is no resistance due to the support.
本発明に係る方法では、前記導電性支持体はp型シリコンまたはp型GaAsからなることが好ましい。この方法によれば、窒化ガリウム基板よりも入手が容易であり、また窒化ガリウム基板よりも大口径であり、さらに窒化ガリウム基板よりも低コストな支持基体上に、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作成できる。また、シリコンまたはGaAsは、窒化ガリウムに比べてエッチングにより除去することが容易である。 In the method according to the present invention, the conductive support is preferably made of p-type silicon or p-type GaAs. According to this method, an insulated gate using a gallium nitride based semiconductor on a support base that is easier to obtain than a gallium nitride substrate, larger in diameter than a gallium nitride substrate, and lower in cost than a gallium nitride substrate. Bipolar transistors can be created. Silicon or GaAs is easier to remove by etching than gallium nitride.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明によれば、p型窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタが提供される。また、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法が提供される。 As described above, according to the present invention, an insulated gate bipolar transistor using a p-type gallium nitride semiconductor is provided. In addition, according to the present invention, a method for manufacturing an insulated gate bipolar transistor using a gallium nitride based semiconductor is provided.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、および絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the insulated gate bipolar transistor and the method of manufacturing the insulated gate bipolar transistor of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
(第1の実施の形態)
図1(A)は、本実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを概略的に示す斜視図である。図1(B)は、本実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを示す模式図である。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11aは、ナノコラム領域13と、コレクタ層15と、ドリフト層17と、エミッタ領域19と、ウエル領域21と、ゲート絶縁膜23と、ゲート電極25と、基板27と、コレクタ電極29とを備える。ナノコラム領域13は、図1(B)に示されるように、第1のp型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム31を有する。コレクタ層15は、ナノコラム領域13の複数のナノコラム31の一端31aを互いに結合するように設けられおり、また第2のp型窒化ガリウム系半導体からなる。ドリフト層17は、コレクタ層15上に設けられており、また第1のn型窒化ガリウム系半導体からなる。エミッタ領域19は、ドリフト層17上に設けられており、また第2のn型窒化ガリウム系半導体からなる。ウエル領域21は、ドリフト層17とエミッタ領域19との間に設けられており、また第3のp型窒化ガリウム系半導体からなる。ゲート絶縁膜23は、ウエル領域21上に設けられている。ゲート電極25は、ゲート絶縁膜23上に設けられており、またドリフト層17とエミッタ領域19との間の伝導を制御するように設けられている。基板27は、第1の面27aおよび第2の面27bを有しており、また窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体からなる支持基体27aを含むことができる。コレクタ電極29は、基板27の第2の面27b上に設けられている。ナノコラム領域13は、基板27の第1の面27a上に設けられている。
(First embodiment)
FIG. 1A is a perspective view schematically showing an insulated gate bipolar transistor according to the present embodiment. FIG. 1B is a schematic diagram showing an insulated gate bipolar transistor according to this embodiment. The insulated gate
この絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11aでは、p型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスが提供される。ナノコラム領域13がp型窒化ガリウム系半導体からなると共に、コレクタ層15が第2のp型窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体とn型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。また、ナノコラム領域13が用いられるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11aは、良好な結晶品質を有する窒化ガリウム系半導体を用いて構成される。さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11aのドリフト層17が低転位なナノコラム領域13上に形成された窒化ガリウム系半導体からなるので、リーク電流が小さくなると共に絶縁耐圧が向上される。加えて、p型半導体からなる導電性の基板27を用いるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11aの放熱特性が良好である。ゲート絶縁膜23の材料としては、例えばSiO2、SiNx、SiON、Ga2O3、Sc2O3、Gd2O3、Al2O3、AlN、AlGaN、MgO等を用いることができる。ゲート電極25の材料として、例えばNi、Pt、ポリシリコン、Al、Ti、W、Ir、遷移金属シリサイドを用いることができる。
In this insulated gate
コレクタ層15とドリフト層17とはpn接合33aを形成する。エミッタ領域19とウエル領域21とはpn接合33bを形成する。ウエル領域21とドリフト領域17とはpn接合33cを形成する。ゲート絶縁膜23は、ウエル領域21の表層上に設けられており、ウエル領域21の表層の伝導率がゲート電極25からの電界に応じて変調される。ゲート絶縁膜23とウエル領域21との界面における電界が大きくなると、ウエル領域21の表層に反転層が形成され、エミッタ領域19とドリフト領域17とを繋ぐチャネルCH1、CH2が形成される。チャネルCH1、CH2は、エミッタ領域19にオーミック接合を成すエミッタ電極35からの電子Eをドリフト層17へ流す。エミッタ電極35は、またウエル領域21にも接続されている。
The
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11aでは、基板27は、支持基体27aと、支持基体27a上に設けられたバッファ層27bを含むことができる。支持基体27aはp型Siまたはp型GaAsからなることが好ましい。これによれば、ナノコラム領域13を形成することが可能なp型半導体下地が提供される。シリコン基板は例えば(111)面からなる主面を有している。バッファ膜27bは、例えばAlN膜を含む。AlN膜はウルツアイト結晶構造を有する。
In the insulated gate
また、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11aでは、ナノコラム領域13の第1のp型窒化ガリウム系半導体は、AlX1GaY1In1−X1−Y1Nからなり、コレクタ層15の第2のp型窒化ガリウム系半導体は、AlX2GaY2In1−X2−Y2Nからなり、ドリフト層17の第1のn型窒化ガリウム系半導体は、AlX3GaY3In1−X3−Y3Nからなり、エミッタ領域19の第2のn型窒化ガリウム系半導体は、AlX4GaY4In1−X4−Y4Nからなり、ウエル領域21の第3のp型窒化ガリウム系半導体は、AlX5GaY5In1−X5−Y5Nからなることが好ましい。これらの窒化ガリウム系半導体は、具体的には、GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaNである。この絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11aは、窒化ガリウム系半導体からなるナノコラム領域上に成長された様々な窒化ガリウム系半導体を利用することができる。
In the insulated gate
好ましい実施例では、ナノコラム領域13の第1のp型窒化ガリウム系半導体はp型GaNあり、コレクタ層15の第2のp型窒化ガリウム系半導体はp型GaNであり、ドリフト層17第1のn型窒化ガリウム系半導体はn型GaNであることが好ましい。エミッタ領域19の第2のn型窒化ガリウム系半導体はn型GaNからなり、ウエル領域21の第3のp型窒化ガリウム系半導体はp型GaNからなることができる。ナノコラム領域13上に設けられた窒化ガリウムは優れた結晶品質を有する。
In the preferred embodiment, the first p-type gallium nitride based semiconductor in the
ナノコラム領域13の厚さL1が、例えば0.05マイクロメートル以上であれば、初期成長欠陥層のない高品質な結晶を得ることができる。ナノコラム領域13の厚さL1が、例えば2マイクロメートル以下であれば、オン抵抗が低くなる。コレクタ層15の厚さL2が、例えば0.2マイクロメートル以上であれば、コレクタ層表面が平坦連続膜になる。コレクタ層15の厚さL2が、例えば3マイクロメートル以下であれば、オン抵抗が低くなる。
When the thickness L1 of the
ナノコラム領域13のドーパント濃度N13が、例えば1017cm−3以上であれば、オン抵抗が低くなる。ナノコラム領域13のドーパント濃度N13が、例えば1021cm−3以下であれば、結晶性が良好であり、上に成長するコレクタ層の結晶性も良くなる。コレクタ層15のドーパント濃度N15が、例えば1017cm−3以上であれば、オン抵抗が低くなる。コレクタ層15のドーパント濃度N15が、例えば1021cm−3以下であれば、結晶性が良好という利点がある。
When the dopant concentration N13 of the
ナノコラム領域13に、ほとんど貫通転位が存在しない。コレクタ層15の貫通転位密度D2が、例えば107cm−2以下であれば、逆方向耐圧が向上する。
There are almost no threading dislocations in the
以上説明したように、本実施の形態によれば、p型窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタが提供される。 As described above, according to the present embodiment, an insulated gate bipolar transistor using a p-type gallium nitride semiconductor is provided.
(第2の実施の形態)
図2(A)は、本実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを概略的に示す斜視図である。図2(B)は、本実施の形態に係る絶縁ゲートバイポーラトランジスタを示す模式図である。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11bは、コレクタ層15と、ドリフト層17と、エミッタ領域19と、ウエル領域21と、ゲート絶縁膜23と、ゲート電極25とを備えており、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11bは、ナノコラム領域13に替えてナノコラム領域43を含むと共に、コレクタ電極29に替えてコレクタ電極39を含む。ナノコラム領域43は、第1のp型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム41を有する。コレクタ層15は、ナノコラム領域43の複数のナノコラム41の一端41aを互いに結合するように設けられおり、また第2のp型窒化ガリウム系半導体からなる。コレクタ電極39は、複数のナノコラム41の他端に電気的に接続されている。ナノコラム領域43は、コレクタ電極29上に設けられている。ナノコラム領域43は、コレクタ電極39とコレクタ層15との間に設けられている。
(Second Embodiment)
FIG. 2A is a perspective view schematically showing an insulated gate bipolar transistor according to the present embodiment. FIG. 2B is a schematic diagram showing an insulated gate bipolar transistor according to this embodiment. The insulated gate
この絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11bでは、p型窒化ガリウム系半導体を用いる縦型半導体電子デバイスが提供される。ナノコラム領域43がp型窒化ガリウム系半導体からなると共に、コレクタ層15が第2のp型窒化ガリウム系半導体からなるので、窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体とn型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。また、ナノコラム領域43が用いられるので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11bは、良好な結晶品質を有する窒化ガリウム系半導体を用いて構成される。さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11bのドリフト層17が低転位なナノコラム領域43上に形成された窒化ガリウム系半導体からなるので、リーク電流が小さくなると共に絶縁体耐圧が向上される。加えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11bが基板を含まないので、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ11bは優れた放熱特性を示す。基板なないので、基板からの応力がない。
In this insulated gate
ナノコラム領域43の厚さL3が、例えば0.05マイクロメートル以上であれば、初期成長欠陥層のない高品質な結晶を得ることができる。ナノコラム領域43の厚さL3が、例えば2マイクロメートル以下であれば、オン抵抗が低くなる。また、ナノコラム領域43のドーパント濃度N43が、例えば1017cm−3以上であれば、オン抵抗が低くなる。ナノコラム領域43のドーパント濃度N43が、例えば1021cm−3以下であれば、結晶性が良好であり、上に成長するコレクタ層の結晶性も良くなる。
If the thickness L3 of the
第1および第2の実施の形態において、個々のナノコラム13、43は、窒化ガリウム半導体からなるコレクタ層15の主面15aに直交する軸に沿って伸びており、既に説明したように、ナノコラム31、41の一端31a、41aは窒化ガリウム半導体層15に接続されており、ナノコラム13、43の他端29bは開放されている。個々のナノコラム31、41は窒化ガリウム系単結晶からなり、その成長軸は下地の成長用基板の面方位により規定されている。また、窒化ガリウム半導体膜15は、個々のナノコラム31、41から一体の窒化ガリウム系単結晶体へ遷移する領域を有する。
In the first and second embodiments, the individual nanocolumns 13 and 43 extend along an axis orthogonal to the
以上説明したように、本実施の形態によれば、p型窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタが提供される。 As described above, according to the present embodiment, an insulated gate bipolar transistor using a p-type gallium nitride semiconductor is provided.
(第3の実施の形態)
図3(A)、図3(B)、図3(C)、図4(A)、図4(B)および図4(C)を参照しながら、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法を説明する。
(Third embodiment)
A method for manufacturing an insulated gate bipolar transistor will be described with reference to FIGS. 3A, 3B, 3C, 4A, 4B, and 4C. To do.
図3(A)を示されるように、窒化ガリウム系半導体を成長するための基板51を準備する。基板51は、窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体47と、支持体47上に形成されたバッファ膜49とを含むことができる。基板51は例えば以下のように準備される。支持体47を結晶成長装置に配置する。本実施例では、結晶成長装置として、例えばRF−MBE装置を用いるが、これに限定されることなくOMVPE、HVPE等も用いることができる。支持体47としては、例えば(111)面のp型シリコンウエハまたはp型GaAs等を用いることができる。支持体47上にバッファ膜49を堆積する。(111)面シリコン基板を用いる場合、バッファ膜49は例えばGaN膜またはAlN膜を含むことができる。この場合、バッファ膜35の厚さは、例えば数nm以上であることが好ましい。このバッファ層によりナノコラム成長の核となる初期成長核が形成される。必要な場合には、バッファ膜の成長に先立って、支持体47の表面の熱クリーニングを行うことができる。導電性支持体47の半導体材料のバンドギャップは窒化ガリウムのバンドギャップよりも小さい。
As shown in FIG. 3A, a
図3(B)に示されるように、p型のナノコラム領域53を基板51上に形成する。ナノコラム領域53は、図1(B)および図2(B)に示されるような、窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有する。V族原料の供給モル数とIII族原料の供給モル数との比(以下「V/III」として参照する)に応じて、ナノコラムの形状が変化する。ナノコラムは窒素リッチの条件で成長される。ナノコラムは、ウルツアイト構造のバッファ膜上に形成され、窒化ガリウムの(0001)軸の方向に伸びる。ナノコラム領域53におけるナノコラム密度は、例えばバッファ層の材料の種類、その膜厚、その成長条件に応じて変わる。ナノコラム密度は、例えば、1×109cm−2〜5×1010cm−2程度の範囲で変更可能である。窒素リッチの条件では、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが制限されるので、結晶膜の形成よりも、コラム状の結晶が成長する。
As shown in FIG. 3B, a p-
次いで、コレクタ層のためのp型の窒化ガリウム系半導体膜55を成長する。図3(B)に示されるように、ナノコラム領域53の複数のナノコラムを互いに結合するようにp型の窒化ガリウム系半導体膜55を成長する。先ず、ナノコラム領域53の複数のナノコラムを互いに結合するように窒化ガリウム系半導体領域を成長する。このために、ナノコラム領域53の成長条件におけるガリウム供給量よりも大きいガリウム原料を供給する。ガリウム原料の増加により、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが促進される。この結果、複数のナノコラム57が互いに結合され、遷移領域59が形成される。次いで、窒化ガリウム系半導体の遷移領域59上に窒化ガリウム単結晶領域61を堆積する。これにより、窒化ガリウム系半導体膜55が得られる。ナノコラム領域53の窒化ガリウム系半導体の導電型は、窒化ガリウム半導体系膜55の導電型と同じである。
Next, a p-type gallium nitride based
この方法によれば、ナノコラム領域53は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域53上に成長される窒化ガリウム系半導体膜55もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、基板51が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体47を含むので、p型窒化ガリウム系半導体基板を用いることなく、p型窒化ガリウム系半導体膜55を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜55のサイズは、実質的に上記基板51のサイズと同じにできる。これにより、エピタキシャル基板E1が得られた。エピタキシャル基板E1は、基板51と、ナノコラム領域53と、窒化ガリウム半導体系膜55とを含む。
According to this method, since the
(実施例)
GaNナノコラム成長の一例
MBE成長装置を用いる。Kセルを用いて7Nのガリウム源および7Nのアルミニウム源を提供すると共に、並びにRFラジカルガンを用いて6NのN2ガスを窒素源を提供する。バッファ層(初期核形成)の成長温度は摂氏500〜550度範囲にあり、ナノコラム形成の成長温度は摂氏850〜900度範囲にある。ガリウム原料および活性窒素を供給する。
一例のV/III比:ナノコラム成長(GaN膜の成長よりも窒素リッチ条件)
である。ナノコラムの歪みは緩和されており、ナノコラム領域は非常に高品質の結晶である。成長表面はファセット面を含み成長と共に転位は曲げられ、この結果、ナノコラム領域はほぼ無転位となる。ナノコラムの直径は、成長温度、成長速度、V/III比に応じて変化し、例えば30nm〜200nm程度の範囲で制御される。特に、ナノコラムの直径は、ガリウム供給量に大きく依存する。これは、ナノコラムの成長が、窒素リッチの条件の下でガリウムのマイグレーションを調整していることに因る。ナノコラム領域は、窒化ガリウム系半導体のC軸方向に成長される。コレクタ層のためのp型窒化ガリウム系半導体膜はナノコラム領域から連続的に成長される。ナノコラムのキャリア濃度は、1×1017cm−3以上であることが好ましい。本実施例では、キャリア濃度pは、約3×1017cm−3である。また、p型窒化ガリウム系半導体膜のキャリア濃度は、1×1017cm−3以上であることが好ましい。
(Example)
An example of GaN nanocolumn growth uses an MBE growth apparatus. A K cell is used to provide a 7N gallium source and a 7N aluminum source, and an RF radical gun is used to provide a 6N N 2 gas and a nitrogen source. The growth temperature of the buffer layer (initial nucleation) is in the range of 500 to 550 degrees Celsius, and the growth temperature of the nanocolumn formation is in the range of 850 to 900 degrees Celsius. Supply gallium source and active nitrogen.
Example V / III ratio: nanocolumn growth (nitrogen rich condition rather than GaN film growth)
It is. The distortion of the nanocolumn is relaxed, and the nanocolumn region is a very high quality crystal. The growth surface includes a facet plane, and the dislocations are bent with the growth. As a result, the nanocolumn region is almost dislocation free. The diameter of the nanocolumn varies depending on the growth temperature, growth rate, and V / III ratio, and is controlled, for example, in the range of about 30 nm to 200 nm. In particular, the diameter of the nanocolumn is highly dependent on the gallium supply. This is due to the fact that nanocolumn growth regulates gallium migration under nitrogen-rich conditions. The nanocolumn region is grown in the C-axis direction of the gallium nitride based semiconductor. A p-type gallium nitride based semiconductor film for the collector layer is continuously grown from the nanocolumn region. The carrier concentration of the nanocolumn is preferably 1 × 10 17 cm −3 or more. In this example, the carrier concentration p is about 3 × 10 17 cm −3 . The carrier concentration of the p-type gallium nitride based semiconductor film is preferably 1 × 10 17 cm −3 or more.
続いて、図3(C)に示されるように、ドリフト層のためのn型の窒化ガリウム系半導体膜63を成長する。窒化ガリウム系半導体膜63の厚さは、例えば3マイクロメートル以上であることが好ましい。窒化ガリウム系半導体膜63のドーパント濃度は窒化ガリウム系半導体膜55のドーパント濃度よりも小さく、例えば1015cm−3以上であることが好ましく、また1017cm−3以下であることが好ましい。これにより、エピタキシャル基板E2が得られた。エピタキシャル基板E2は、基板51と、ナノコラム領域53と、p型窒化ガリウム半導体系膜55と、n型窒化ガリウム半導体系膜63とを含む。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, an n-type gallium
図4(A)に示されるように、n型窒化ガリウム系半導体膜63を成長した後に、エッチング法、フォトリソグラフィ法およびエピタキシャル成長法を用いてn型窒化ガリウム系半導体膜63を加工し、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのウエル領域65およびエミッタ領域67を形成する。例えば、マスクを用いてn型窒化ガリウム系半導体膜63をエッチングすると共に、このマスクを用いてウエル領域のための窒化ガリウム系半導体を選択成長することができる。また、マスクを用いてウエル領域のための窒化ガリウム系半導体をエッチングすると共に、このマスクを用いてエミッタ領域のための窒化ガリウム系半導体を選択成長することができる。
As shown in FIG. 4A, after the n-type gallium nitride based
図4(B)に示されるように、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜69およびゲート電極71並びにエミッタ電極73を形成する。これにより、基板生産物E3が得られる
As shown in FIG. 4B, a
図4(C)に示されるように、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのコレクタ電極75を形成する。このコレクタ電極75は、基板51の第1の面51aと反対側の第2の面51b上に形成される。
As shown in FIG. 4C, a
これらが、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法の主要な工程である。これらの工程により、基板生産物E4が作製される。 These are the main steps of the method of making an insulated gate bipolar transistor. Through these steps, the substrate product E4 is produced.
基板51の支持体47がシリコン製であるとき、上記の基板生産物のサイズは、市場に流通しているシリコンウエハのサイズであり、例えば2インチから12インチ程度である。
When the
以上説明したように、本実施の形態によれば、窒化ガリウム系半導体を用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法が提供される。 As described above, according to this embodiment, a method for manufacturing an insulated gate bipolar transistor using a gallium nitride based semiconductor is provided.
(第4の実施の形態)
図5(A)、図5(B)および図5(C)を参照しながら、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法を説明する。
(Fourth embodiment)
A method for manufacturing an insulated gate bipolar transistor will be described with reference to FIGS. 5 (A), 5 (B), and 5 (C).
図3(A)から図4(B)に示される工程に従って、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを作製する方法の工程を行って、基板生産物E3を作製する。引き続いて、支持体47を除去する。この実施の形態の方法では、基板51は、導電性支持体だけでなく、半絶縁性または絶縁性支持体を含むことができる。
According to the steps shown in FIGS. 3A to 4B, the substrate product E3 is manufactured by performing the steps of the method of manufacturing the insulated gate bipolar transistor. Subsequently, the
図5(A)を示されるように、基板51の第2の面51b上にコレクタ電極を形成することなく、基板生産物E3の表面にマスク76を形成して、ゲート電極71、エミッタ電極73等を覆う。マスク76は、例えばレジストマスクである。
As shown in FIG. 5A, a
図5(B)を示されるように、基板51をエッチングして、基板生産物E3から基板を取り除いて、基板生産物E5を作製する。基板51がシリコン製支持体を含む場合には、フッ化水素酸および硝酸の混合液を用いて選択的にシリコンをウエットエッチングしてナノコラム領域53aを形成することができる。また、基板51がGaAs製支持体を含む場合には、例えば、硫酸と過酸化水素水の混合液を用いてGaAsを選択的にウエットエッチングすることができる。基板51の除去により、基板からの応力がなくなる。
As shown in FIG. 5B, the
この後に、マスク76を除去すると共に、ナノコラム領域53に接続するコレクタ電極77を作製すると、基板生産物E6が得られる。
Thereafter, when the
この方法によれば、支持体を除去するので、支持体に起因する抵抗がなくなると共に、窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体とn型窒化ガリウム系半導体との接合が形成されない。 According to this method, since the support is removed, resistance due to the support disappears and a junction between the p-type semiconductor and the n-type gallium nitride semiconductor different from the gallium nitride semiconductor is not formed.
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本実施の形態では、p型窒化ガリウム系半導体からなるナノコラムを用いる絶縁ゲートバイポーラトランジスタについて例示的に説明しているけれども、n型窒化ガリウム系半導体からなるナノコラムを用いることもできる。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. In this embodiment, an insulated gate bipolar transistor using a nanocolumn made of a p-type gallium nitride semiconductor has been described as an example, but a nanocolumn made of an n-type gallium nitride semiconductor can also be used. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
11a、11b…絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、13…ナノコラム領域、15…コレクタ層、17…ドリフト層、19…エミッタ領域、21…ウエル領域、23…ゲート絶縁膜、25…ゲート電極、27…基板、27a…支持基体、27b…バッファ層、29…コレクタ電極、31…ナノコラム、31a…ナノコラムの一端、CH1、CH2…チャネル、33a、33b、33c…pn接合、35…エミッタ電極、39…コレクタ電極、41…ナノコラム、41a…ナノコラムの一端、43…ナノコラム領域、L1、L3…ナノコラム領域の厚さ、L2…コレクタ層の厚さ、47…支持体、49…バッファ膜、51…基板、53…ナノコラム領域、55…窒化ガリウム系半導体膜、59…窒化ガリウム系半導体遷移領域、61…窒化ガリウム単結晶領域、E1、E2…エピタキシャル基板、63…窒化ガリウム系半導体膜、65…ウエル領域、67…エミッタ領域、69…ゲート絶縁膜、71…ゲート電極、73…エミッタ電極、E3、E4、E5、E6…基板生産物、75…コレクタ電極、76…マスク、77…コレクタ電極 11a, 11b ... insulated gate bipolar transistor, 13 ... nanocolumn region, 15 ... collector layer, 17 ... drift layer, 19 ... emitter region, 21 ... well region, 23 ... gate insulating film, 25 ... gate electrode, 27 ... substrate, 27a DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Supporting base, 27b ... Buffer layer, 29 ... Collector electrode, 31 ... Nanocolumn, 31a ... One end of nanocolumn, CH1, CH2 ... Channel, 33a, 33b, 33c ... Pn junction, 35 ... Emitter electrode, 39 ... Collector electrode, 41 ... nanocolumn, 41a ... one end of nanocolumn, 43 ... nanocolumn region, L1, L3 ... thickness of nanocolumn region, L2 ... thickness of collector layer, 47 ... support, 49 ... buffer film, 51 ... substrate, 53 ... nanocolumn region , 55... Gallium nitride based semiconductor film, 59... Gallium nitride based semiconductor transition region, 61. Single crystal region, E1, E2 ... epitaxial substrate, 63 ... gallium nitride based semiconductor film, 65 ... well region, 67 ... emitter region, 69 ... gate insulating film, 71 ... gate electrode, 73 ... emitter electrode, E3, E4, E5, E6 ... substrate product, 75 ... collector electrode, 76 ... mask, 77 ... collector electrode
Claims (9)
前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように設けられおり、第2のp型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタ層と、
前記コレクタ層上に設けられており第1のn型窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層と、
前記ドリフト層上に設けられており第2のn型窒化ガリウム系半導体からなるエミッタ領域と、
前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間に設けられており第3のp型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、
前記ウエル領域上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられており前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間の伝導を制御するためのゲート電極と、
窒化ガリウム系半導体と異なるp型半導体からなる支持基体を含み第1の面および第2の面を有する基板と、
前記基板の前記第2の面上に設けられたコレクタ電極と
を備え、
前記ナノコラム領域は、前記基板の前記第1の面上に設けられている、ことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。 A nanocolumn region having a plurality of nanocolumns made of a first p-type gallium nitride based semiconductor;
A collector layer made of a second p-type gallium nitride based semiconductor, provided so as to couple one end of the plurality of nanocolumns of the nanocolumn region to each other;
A drift layer provided on the collector layer and made of a first n-type gallium nitride semiconductor;
An emitter region provided on the drift layer and made of a second n-type gallium nitride semiconductor;
A well region made of a third p-type gallium nitride based semiconductor and provided between the drift layer and the emitter region;
A gate insulating film provided on the well region;
A gate electrode provided on the gate insulating film for controlling conduction between the drift layer and the emitter region;
A substrate including a support base made of a p-type semiconductor different from a gallium nitride based semiconductor and having a first surface and a second surface;
A collector electrode provided on the second surface of the substrate,
The insulated gate bipolar transistor, wherein the nanocolumn region is provided on the first surface of the substrate.
前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように設けられおり、第2のp型窒化ガリウム系半導体からなるコレクタ層と、
前記コレクタ層上に設けられており第1のn型窒化ガリウム系半導体からなるドリフト層と、
前記ドリフト層上に設けられており第2のn型窒化ガリウム系半導体からなるエミッタ領域と、
前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間に設けられており第3のp型窒化ガリウム系半導体からなるウエル領域と、
前記ウエル領域上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられており前記ドリフト層と前記エミッタ領域との間の伝導を制御するためのゲート電極と、
前記ナノコラム領域に電気的に接続されたコレクタ電極と
を備え、
前記ナノコラム領域は、前記コレクタ電極と前記コレクタ層との間に設けられている、ことを特徴とする絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。 A nanocolumn region having a plurality of nanocolumns made of a first p-type gallium nitride based semiconductor;
A collector layer made of a second p-type gallium nitride based semiconductor, provided so as to couple one end of the plurality of nanocolumns of the nanocolumn region to each other;
A drift layer provided on the collector layer and made of a first n-type gallium nitride semiconductor;
An emitter region provided on the drift layer and made of a second n-type gallium nitride semiconductor;
A well region made of a third p-type gallium nitride based semiconductor and provided between the drift layer and the emitter region;
A gate insulating film provided on the well region;
A gate electrode provided on the gate insulating film for controlling conduction between the drift layer and the emitter region;
A collector electrode electrically connected to the nanocolumn region,
The insulated gate bipolar transistor, wherein the nanocolumn region is provided between the collector electrode and the collector layer.
前記第2のp型窒化ガリウム系半導体は、AlX2GaY2In1−X2−Y2Nからなり、
前記第1のn型窒化ガリウム系半導体は、AlX3GaY3In1−X3−Y3Nからなり、
前記第2のn型窒化ガリウム系半導体は、AlX4GaY4In1−X4−Y4Nからなり、
前記第3のp型窒化ガリウム系半導体は、AlX5GaY5In1−X5−Y5Nからなる、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。 The first p-type gallium nitride based semiconductor is made of Al X1 Ga Y1 In 1-X1-Y1 N,
The second p-type gallium nitride based semiconductor is made of Al X2 Ga Y2 In 1-X2-Y2 N,
The first n-type gallium nitride based semiconductor is made of Al X3 Ga Y3 In 1-X3-Y3 N,
The second n-type gallium nitride based semiconductor is made of Al X4 Ga Y4 In 1-X4-Y4 N,
4. The insulated gate bipolar device according to claim 1, wherein the third p-type gallium nitride based semiconductor is made of Al X5 Ga Y5 In 1-X5-Y5 N. 5. Transistor.
前記第2のp型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムであり、
前記第1のn型窒化ガリウム系半導体は窒化ガリウムである、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ。 The first p-type gallium nitride based semiconductor is gallium nitride;
The second p-type gallium nitride based semiconductor is gallium nitride,
The insulated gate bipolar transistor according to any one of claims 1 to 4, wherein the first n-type gallium nitride based semiconductor is gallium nitride.
窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる導電性支持体を含む基板の第1の面上に、第1のp型窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を形成する工程と、
前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、第2のp型窒化ガリウム系半導体からなりコレクタ層のための半導体膜を成長する工程と、
前記コレクタ層のための半導体膜上に設けられており、第1のn型窒化ガリウム系半導体からなりドリフト層のための半導体膜を成長する工程と、
を備える、ことを特徴とする方法。 A method for fabricating an insulated gate bipolar transistor comprising:
Forming a nanocolumn region having a plurality of nanocolumns made of a first p-type gallium nitride semiconductor on a first surface of a substrate including a conductive support made of a material different from a gallium nitride semiconductor;
Growing a gallium nitride based semiconductor film so as to bond one ends of the plurality of nanocolumns of the nanocolumn region to each other;
Growing a semiconductor film for the collector layer made of a second p-type gallium nitride based semiconductor after growing the gallium nitride based semiconductor film;
A step of growing a semiconductor film for the drift layer, which is provided on the semiconductor film for the collector layer and is made of a first n-type gallium nitride semiconductor;
A method characterized by comprising:
前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成する工程と、
前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記基板の前記第1の面と反対側の第2の面上に、コレクタ電極を形成する工程と
を備え、
前記導電性支持体の半導体材料のバンドギャップは窒化ガリウムのバンドギャップよりも小さい、ことを特徴とする請求項6に記載された方法。 Forming a well region and an emitter region for the insulated gate bipolar transistor after growing a semiconductor film for the drift layer;
Forming a gate insulating film and a gate electrode and an emitter electrode for the insulated gate bipolar transistor after forming the well region and the emitter region;
Forming a collector electrode on a second surface opposite to the first surface of the substrate after forming the well region and the emitter region;
The method of claim 6, wherein the band gap of the semiconductor material of the conductive support is smaller than the band gap of gallium nitride.
前記ウエル領域およびエミッタ領域を形成した後に、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタのためのゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜およびゲート電極並びにエミッタ電極を形成した後に、前記導電性支持体を除去する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項7に記載された方法。 Forming a well region and an emitter region for the insulated gate bipolar transistor after growing a semiconductor film for the drift layer;
Forming a gate insulating film and a gate electrode and an emitter electrode for the insulated gate bipolar transistor after forming the well region and the emitter region;
The method according to claim 7, further comprising removing the conductive support after forming the gate insulating film, the gate electrode, and the emitter electrode.
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